沙稻的形态描述和DNA条形码研究(Agriophyllum squarrosum产于哈萨克斯坦

背景

砂米（Agriophyllum squarrosum(l)Moq.)是一种一年生灌木状植物，适合亚洲沙漠和半沙漠地区的移动沙丘。营养成分均衡，脂质和蛋白质含量较高，营养成分与豆科植物相似。沙米的蛋白质含有各种必需氨基酸。然而，卡路里含量更接近于小麦。这些特性加上沙漠抗逆性，使沙稻成为一种潜在的粮食作物，对持续的气候变化具有弹性。在哈萨克斯坦的干旱地区，它也是牛的重要饲料作物(在幼年阶段)。在我们的工作中，沙米样品从哈萨克斯坦的两个遥远的地区收集，作为确定当地植物群遗传变异的全国性项目的一部分。

结果

样本是在哈萨克斯坦西部和东南部的距离高达1300公里的地方采集的。核糖体DNA ITS1-5.8S-ITS2区和叶绿体的序列matK基因通过形态特征确定了物种的身份。通过与GenBank序列的比较，揭示了哈萨克族居群与GenBank文献的多态序列位置，并揭示了沙稻本地居群间的差异。对核苷酸序列进行系统发育分析，显示出明显的划分答:squarrosum（L）最低起订量。从…起Agriophyllum -费斯。& C.A. Mey，它们生长在同样的沙丘环境中。

结论

ITS和DNA条形码分析matK序列显示出偏析答:squarrosum从A.减去在最大可能树状图中分成不同的支系。ITS分析可以成功地用于表征答:squarrosum相互距离越来越远的种群。在这项工作中获得的数据为进一步调查提供了基础答:squarrosum在中亚和中国的沙漠和半沙漠环境中，种群结构和遗传多样性可能在筛选沙稻植物中发挥作用。

沙漠和半沙漠占据了哈萨克斯坦一半以上的领土。只有极少数的植物能在极端干旱的热沙中生存。在恶劣的沙漠环境中成功种植植物的一个例子是沙稻，Agriophyllum squarrosum(l)Moq。在哈萨克斯坦和中亚，它被称为kumarchk(来自突厥语“kum”——沙子)。它是亚洲沙漠和半沙漠地区特有的一年生植物。答:squarrosum属于藜科藜亚科藜亚科Corispermeae部落[1，2］．农业学包含五种物种和其中四种，包括答:squarrosum，发生于哈萨克斯坦[3.］．

答:squarrosum(原名:A. Arenarium.M.Bieb。）是一种灌木状植物，高20-100厘米。茎是直立的，浅绿色，坚固，罗纹，玉米覆盖着年轻的毛发，并从基地分支。叶子是无柄，披针形线性，1.3-7厘米×1-10毫米的尺寸。小花形成花序，钉子。尖峰是腋窝，无梗塞，致密，卵形或椭圆形的形状。种子是子污染，长度为1.3-2毫米，有时呈浅棕色双尖角。从8月到10月的砂米花;种子在同一时期成熟。种子答:squarrosum非常轻，覆盖着一层膜状外壳。成熟后，果壳裂成两部分，种子很容易被风吹散[3.］．

沙米具有多种经济重要性。这种植物的每一个器官，从根到种子，在人类生活中都有自己的用途。虽然植物生长在贫瘠的沙土中，答:squarrosum在它的种子和其他器官中有高浓度的营养物质。自古以来，游牧民族就以沙米种子为食[4］．由于在沙漠中不可能大规模种植谷物，牧民们收集沙米种子，把它们磨碎，然后用面粉做饼和粥。5］．沙米的营养特性是相对较高的蛋白质(干重的23.2%)和脂肪(干重的9.7%)含量以及碳水化合物(干重的45%)含量的组合。蛋白质包括人类饮食所需的全套必需氨基酸[6］．它的营养成分与豆类类似，如大豆或鹰嘴豆，但热量较低。在营养阶段农业学该物种被大量用作绵羊和骆驼的牧草植物[7］．沙米的嫩茎和嫩叶适合青贮。沙米的医学用途在文献中也有很好的描述。根据蒙古医学古籍记载，种子煎剂曾被用作解热镇痛药物[8］．在中国,答:squarrosum通常用于治疗肾炎[6］．

沙稻的根系具有相当独特的结构，包括一个长直根和接近土壤表面的几乎同样长的侧根。主根的长度可与地上器官的高度相媲美[9，10］．当主干生长至仅67厘米时，一些侧面根部可以达到5米的长度[6］．它们能使植物在沙土中站稳脚跟，抵御强烈的沙尘暴。因此,答:squarrosum在中亚的沙漠和半沙漠中培养了砂稳定[11，12］．

沙稻的生理和形态很好地适应了极端的沙漠条件[13]，制作答:squarrosum对研究其干旱适应性的基因组基础很感兴趣。在过去的10年里，有几项工作致力于寻找对热和干旱胁迫耐受性负责的候选基因[14]. 目前的主要目标之一是在沙漠环境中驯化沙稻[15通过培育大粒高产量的植株，并排除掉落籽、刺等不利的表型性状。

对科学文献的调查表明，目前尚无关于小属的分类学研究农业学．本研究的目的是为了鉴定菊科植物的种内遗传多样性答:squarrosum使用条形码标记，看看它有多明显地偏离A.减去它在哈萨克斯坦的沙漠地区也广泛生长，部分原因是与答:sqarrosum．DNA条形码是一个强大而有效的工具，用于鉴定研究不足的物种[16，17，18］．以往的研究表明，利用主要的通用DNA标记可以有效地分析石竹科植物的系统发育[19］．在我们的研究中，叶绿体基因组标记垫K[20.]和核糖体DNA区域，包括内部转录间隔体1和2 (ITS)以及5.8S rRNA基因[21)是利用。这项研究是一个更大的全国性项目的一部分[22为哈萨克斯坦特有的、稀有的和经济上重要的植物物种进行基因分型，结合了当地植物学家和来自生物技术研究组织、植物园、国家自然公园和保护区的遗传学家的努力。

材料抽样和形态鉴定

共有7个种群农业学种从哈萨克斯坦两个遥远的地区采集(表1)．

第一批人口答:squarrosum在哈萨克斯坦西部的阿克托贝地区，Bol 'shie Barsuki Sands于2015年被采集。其余4个种群位于哈萨克斯坦东南部、阿拉木图地区、Moyynkum Sands，于2016年采集。1)．

西部及东南部地区均属极端沙漠气候，通常是沙稻的生境[3.，23]. 为了比较两个近缘物种种群之间的形态和遗传多样性A.减去也在哈萨克斯坦的同一地区收集。两个采样区域之间的总距离从1250公里到1300公里不等。每个种群与一个地区之间的距离大约是4-6公里。这些种群被沙丘分隔开来，而这些沙丘不是该物种居住的地方。以整株植物和枝条段为材料进行分析。整株植物被用来制作植物标本室的代金券标本。为了避免污染，干燥的树枝和种子被包装在单独的纸袋上。

DNA提取，扩增和测序

选择来自每种人群的三种植物进行莫智分析。根据改性的Dellaporta DNA提取方案从干叶材料中提取总基因组DNA [24］．PCR扩增片段成熟酶叶绿体基因组的K基因(垫（K）[25]核核糖体它的区域[26］．

所有PCR反应均在16 μl体积的Veriti热循环仪(Applied Biosystems, Foster City, CA, USA)中进行。一个PCR反应包含4 mM的dNTP, 6.4 mM的引物混合物，1.6 U的Taq DNA聚合酶和80 ng的基因组DNA。PCR反应方案摘自Jun等人[27］．PCR选用的引物及其核苷酸序列和大小如表所示2．

PCR产物在1.5%琼脂糖凝胶中运行。预期尺寸约为750 bp的单波段垫根据该公司提供的方案，从凝胶中切出ITS的K和650 bp，并使用ULTRAPrep®琼脂糖凝胶提取迷你制备试剂盒（德国诺德豪森AHN Biotechnologie GmbH）进行纯化。

分别用纯化的DNA扩增子与正向引物和反向引物进行序列反应。所有反应均采用大染料终止子循环测序技术(Applied Biosystems, Foster City, CA, USA)进行。每个反应按公司协议在20 μl体积中进行。

比对和系统发育分析

DNA序列进口到Mega 6.06 [28]与来自Genbank数据库的序列一起进行对准，并通过添加除群物种土荆芥opulifolium施拉德。前科赫和齐兹。和藜藜麦Willd。最大似然分析[29]，采用1000个自举复制模式及田村-内模型[30.]，构建系统发育树。

在实验室中，每一株植物最初是由分类学家根据《哈萨克斯坦植物志》(the Flora of Kazakhstan)中的描述在物种水平上进行鉴定的[3.］．种的鉴定是根据种子、叶和穗的结构差异进行的3.)．

植物测量结果显示出明显的差异答:squarrosum从A.减去利用一些性状，如叶长、重量和种子数(p< 0.001)。a的结果学习任务表示,答:squarrosum(相比A.减去)的种子重量较高(P< 0.01)，每穗多出种子(P< 0.05)，长叶(P< 0.05)。

ITS区域的变异性垫K基因

从表中列出的每个人口1选择三株植物进行DNA提取。总共对21份DNA样本进行了ITS和DNA测序垫K其序列大小范围为629-662bp。序列在MEGA 6.06中对齐，并与GenBank参考文献进行比较。因为序列在ITS和垫K在单个群体的个体中，每个群体选择一个样本进行进一步研究。结果，在ITS区域检测到24个核苷酸替换，可区分A.减去从答:squarrosum(无花果。2). 本研究中ITS序列的总变异率为3.6%．

我们发现两个人口中的样本中的序列没有变化A.减去收集于哈萨克斯坦不同地区和NCBI GenBank标本。ITS序列答:squarrosum相反，展示了来自哈萨克斯坦的东南部和西部地区的区别群体（POS。84和394）的两种多态性核苷酸（图。2)．同样的两个核苷酸把我们的答:squarrosum来自NCBI基因库的序列和东南居群的样本a . squarrosum但GenBank录入(来自中国)与西哈萨克斯坦群体的样本只有394位的一个核苷酸不同(图)。2)．

序列垫K表示以下各项的样本：答:squarrosum在这两个地区都是相同的。14个多态位点答:squarrosum和A.减去在这项研究中确定了这些基因。503位的核苷酸被分离答:squarrosum从Genbank中的序列中生长在哈萨克斯坦（图。3.)．总长度垫本研究中的K序列为768个核苷酸。序列变异率为1.8%。

分化的两个农业学基于ITS区域和matK基因测序的物种

为了揭示两个物种之间的遗传分化，利用ITS序列构建系统发育树(图。4)以及两个外类群分类群。

its衍生的系统发育树显示出明显的分离农业学物种分为两个支系，即答:squarrosum和A.减去．两个的数量A.减去NCBI Genbank序列具有相同的序列。相比之下，人口答:squarrosum来自哈萨克斯坦西部和中国的GenBank序列形成了一个独立于哈萨克斯坦东南部地区的种群分支。

在垫K树(图。5)农业学物种被分为两个姐妹支系。尽管被研究的种群之间有很大的地理距离答:squarrosum和A.减去，两个物种内的样本均未显示出亚特异性变异。

沙稻是亚洲极端沙漠条件下常见的植物，具有良好的形态和生理适应性。经济重要性、营养和饲料价值、耐受性以及它用于固定流沙的用途都强调了这个物种对人类的重要性[6］．在过去的十年中，一些研究增加了我们对沙米的知识，讨论了其潜在的经济相关性[9］．然而，文献调查表明，目前还没有对该属植物遗传多样性进行研究的尝试农业学使用分子工具。此外，获得生长在不同地区的植物形态性状多样性的基本事实也很重要农业学分布区域。

在这项研究中，两种不同的物种，答:squarrosum和A.减在中亚两个不同的地区收集到的数据，相距超过1250公里。从七个不同的群体中采集样本，并使用基本形态特征和两个DNA标记ITS和ITS进行研究垫K.

驯化的农业学作为粮食作物或牧草和饲料作物的物种需要特定的形态特征。这里研究的两个物种都是属中最常见的代表农业学在哈萨克斯坦。我们的研究结果表明，这些植物在形态特征上存在差异答:squarrosum和A.减去在这两个地区。叶长、粒重、穗粒数等关键性状的形态计量分析表明，不同品种间存在显著差异答:squarrosum和A.减去（表3.)．

ITS与垫研究中的K序列表明，其（3.6％的变异性）的变化比其更高的两倍垫K（1.8％的变异性），表明其分析与使用的分析相比提供了更好的分辨率垫K作为叶绿体标记。序列变异性的差异可以用质体基因组较低的突变率来解释[31[主要是RDNA的内转录间隔区的非编码性质。其区域可以积累大量突变，但由于其功能作用，仅具有小的某些约束，因此，该标记通常用于系统发育分析和DNA条形码[32，33］．

尽管在序列变异性上存在差异，但使用这两种标记的系统发生树的拓扑结构在分离上表现出一致性答:squarrosum从A.减去．对居群所有植物进行DNA分析，未发现杂种植物答:squarrosum和A.减去，并表明这两个同域物种没有发生基因流动，至少在分析的种群中没有。

我们的研究是首次尝试分析植物的分类关系和遗传差异答:squarrosum和A.减去，是适应中亚和中国沙漠和半沙漠地区流动沙丘的一年生植物。七个人口的代表答:squarrosum和A.减去采用两种公认的植物DNA条形码标记ITS和垫K．所得结果表明ITS的变异性是中的两倍垫K序列。然而，两个标记的系统发育树是一致的，显示出两个物种的明显分离。ITS树将样本从哈萨克斯坦的两个地区分离出来，表明在广泛的群体遗传学研究分析中有可能将该标记纳入答:squarrosum．形态学分析结果证实了两者之间的差异答:squarrosum和A.减去关键农艺性状，如叶长、种子重和每穗种子数。

作者感谢哈萨克斯坦共和国教育和科学部为国家项目N0237提供的资金。

基金

本文的出版由哈萨克斯坦共和国教育和科学部提供的国家项目N0237资助。资助者没有参与研究设计、数据收集和分析、出版决定或手稿准备。

可用性数据和材料

支持本文结论的数据集包含在本文中。代金券标本保存在植物生物学和生物技术研究所(哈萨克斯坦)的植物标本室。

关于这个补充剂

本文已作为BMC植物生物学2017年第17卷增编1:PlantGen 2017节选文章。该补充的全部内容可在网上找到//www.cinefiend.com/articles/supplements/volume-17-supplement-1．

隶属关系

1. 哈萨克斯坦阿拉木图植物生物学和生物技术研究所，050040

   Yuliya Genievskaya, Saule Abugalieva和Yerlan Turuspekov

2. Aktobe养殖站，Aktobe Region，哈萨克斯坦，030014

   Aibatsha Zhubanysheva

贡献

SA和YT进行了实验设计。AZ和YT已收集农业学分别分布于西部和东南部地区。AZ和YT进行了形态学描述，并制作了标本室标本。YG进行了DNA提取、DNA测序和序列比对。SA、YT和YG参与了手稿的编写。所有作者都审阅了手稿草稿。所有作者都阅读并批准了最终手稿。

通讯作者

对应到yerlan turuspekov.．

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本研究不包含任何需要伦理同意或批准的研究。

同意出版

不适用。

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两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

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